地鐵近距離下穿運營國鐵擴底樁基礎站房技術研究

嚴啟

中鐵工程設計咨詢集團有限公司 北京 100055

引言

隨著我國城市經濟的快速持續發展，各城市地鐵建設越來越完善，地鐵也成為人們出行的重要交通工具。

通常，各城市地鐵均與鐵路交通樞紐進行銜接甚至合建形成綜合交通樞紐，地鐵工程的修建避免不了與既有國鐵站房產生近距離下穿施工。下穿施工對既有國鐵站房變形安全控制標準高，而下穿工程的施工必將擾動站房基礎的持力土層，引起土層應力調整和沉降變形，威脅鐵路的運營安全。目前，我國已陸續出現了一些下穿高速鐵路的工程，在杭州已有成功下穿案例，房倩等人[1]采用高斯方程擬合了地層、結構變形與盾構參數的關系，并給出了影響沉降槽寬度的因素；洪開榮[2]在不采取地層和軌道加固的情況下，通過對盾構參數的分析和論述，實現了安全下穿的結果；雷崇等人[3]在既有站房有沉降且無加固措施的情況下分析了下穿對站房變形和內力變化的影響，并給出加固方案；劉志濤等人[4]采用數值模擬方法驗證了采用優化盾構露空長度對減小下穿火車站工程沉降有較好的效果；李圍、何川[5]采用三維有限元分析和室內相似試驗互相驗證的方式研究了盾構隧道下穿大型結構近接施工的影響，并對盾構掘進參數給出了建議值；陶連金[6]等人采用三維有限差分程序模型盾構隧道施工，就結構間相互作用及變形縫對結構差異變形的影響做出了分析。

本文以太原某區間隧道正下穿既有運營中國鐵高架候車樓為例，對盾構隧道近距離下穿擴底樁基礎站房進行安全性分析，并給出了相應的預加固方案。

1 工程概況

1.1 區間下穿國鐵站房概況

區間自建設北路南站引出，依次下穿太原火車站主站房、高架候車廳、股道、旅客地道后接入太原站東廣場站區間總長477m，下穿國鐵站房范圍約188m，線間距17.2m，軌面埋深約23.4～27.1m。下穿范圍為太原站運營及控制的核心部位。

圖1 盾構區間下穿高架候車樓縱剖面圖

1.2 國鐵站房概況

高架候車樓基礎為人工挖孔擴底樁基礎，樁基上部直徑1.3～2.2m，擴底直徑2～3.4m，下穿范圍樁間距分別為14.8m、6.6m、9.5m。

區間主要穿越粉質黏土（可塑至硬塑）、黏質粉土及部分粉細砂層。區間內地下水類型主要為第四系孔隙潛水，水位埋深約10m，受近年來太原地下水水位回升影響，人工挖孔擴底樁樁底位于水位以下。

2 下穿高架候車樓數值分析

2.1 有限元模型建立

通過建立有限元模型，對地鐵盾構隧道下穿國鐵高架候車樓施工過程經行模擬分析，太原站內建構筑較多，本次重點分析高架候車樓樁基的變形。

根據盾構隧道與高架候車樓位置關系，并考慮模型邊界約束對計算結果的影響，采用Midas GTS建立模型，尺寸為305m（沿隧道方向）×242m（垂直隧道方向）×80m（土層厚），隧道中心埋深約23m，土體采用修正摩爾-庫倫彈塑性本構模型，地層及站房上部結構采用3D實體單元進行模擬，站房樁基礎采用1D樁單元進行模擬，盾構管片采用板單元進行模擬。盾構開挖模擬采用凍結（殺死）土體單元參數的方式進行。

圖2 有限元分析模型

2.2 分析結果

模型計算后提取樁基礎的豎向變形值，分析其變形趨勢。

2.2.1 垂直區間方向樁基變形趨勢。提取垂直于盾構隧道方向的一排樁基礎沉降值，進行變形趨勢分析，繪成散點圖如圖3。

圖3 盾構隧道下穿高架候車樓后樁基變形

通過圖3可以看出，在盾構通過候車樓之后樁基礎整體沉降為盾構隧道部位沉降最大，兩側逐漸減小，變形趨勢與“peck曲線”吻合較好，從變形云圖中可以讀出影響范圍沿垂直盾構隧道方向總計約65m。樁基礎最大沉降約5.5mm，差異沉降2.2，按照此處樁間距9m計算，差異沉降率0.00024。

3 防護措施研究

根據相關規范規定，并結合站房的結構鑒定和安全評估結果，站房樁基礎沉降最大值不得超過6mm。通過上述計算分析表明，最大變形值5.5mm小于變形限值，但已接近安全限值。

雖然盾構下穿高架候車樓施工，通過做好盾構自身措施即可安全通過，樁基及上部結構變形均小于限值。但考慮到國鐵站房的重要程度，從增加站房安全冗余的角度考慮，需對站房進行額外的安全加固，提高站房樁基礎的抗變形能力。

站房加固措施主要從變形的源頭進行考慮，即加固樁基礎。考慮到樁頂位于既有站臺面下方，且站臺在改造時進行加高，站臺面至上方樓板的凈空僅4m左右，大型施工機械無法進入，常規采取補打加強樁的方式難以實現，且在既有擴底樁附近鉆孔對樁基礎擾動較大，并考慮站臺運營的需要以及站內施工的可實施性，采取對樁基礎頂部進行加強。加固方案在既有樁頂連系梁的基礎上進行增大，并將連系梁中間范圍澆筑混凝土筏板，形成加強梁+筏板的方式連接樁頂，提高樁基的整體性；并在筏板和加強梁下方采取注漿的方式加固地基土，提高地基承載力及彈性模量，從而協調整體變形，降低差異沉降[7]。

加固范圍在垂直盾構隧道方向（橫向）兩側各1柱跨，沿盾構方向為站房4個站臺所對應的全部樁基礎。橫向加固的柱跨范圍確定采用按盾構隧道兩側45°線延伸至地面后的影響范圍確定。

為了確定加強聯系梁+筏板體系對變形的控制效果，針對盾構下穿樁基礎加固進行局部單獨建模計算，采用荷載代替上部結構進行計算。計算參數同上文模型中參數，其中注漿采用改變土體單元的參數來進行模擬。

模型計算分為兩個工況：工況一為不施加任何加固措施，即與上文中模型計算工況一致；工況二為施加加強梁+筏板加固后再進行盾構穿越施工[8]。

根據計算結果，提取沿垂直盾構隧道方向樁底沉降值，將上述兩個工況的計算結果繪制到一張表格中，形成圖4。

圖4 加固前后沉降對比表

通過圖4的對比可以看出，加固前后變形趨勢基本一致，加固后變形影響范圍有所縮小，相對加固前更為集中，但11、12、13軸樁基礎沉降有較為明顯的降低，最大值由加固前5.5mm降低至3.3mm，差異沉降由0.000318降低至0.000131。

4 結論及建議

盾構隧道在做好自身施工措施的情況下，可近距離下穿候車樓的擴底樁基礎，基礎沉降可控制在規范及安全的范圍內。

下穿施工對樁基礎的影響主要表現為臨近時抬升、下穿后沉降；橫向影響范圍及趨勢與“peck曲線”吻合較好，呈現隧道中間較大，兩側逐漸減小的趨勢，且主要沉降位于兩條隧道中間范圍內，最大沉降值約5.5mm，差異沉降率為0.000318。

采取在樁頂施工加強連系梁和加強筏板的加固措施，并在加強梁和筏板下方采取注漿加固地基的方式，增加了樁頂處的整體性，可有效地降低樁基礎的最大沉降值以及差異沉降，可作為增加候車樓安全冗余度的措施。